عرض جراحة الشبكة يُعزز الحوسبة الكمومية ذات الأخطاء القابلة للتصحيح

عرض فريق من العلماء بقيادة باحثين من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ مؤخراً طريقة لتشابك البتات الكمومية باستخدام جراحة الشبكة. وتتيح العملية للمهندسين بناء حواسيب كمومية أقوى، وتوسيع قدرات هذه الأجهزة المثيرة للإعجاب، وفتح الباب أمام اعتمادها مستقبلاً. إليك ما ينبغي معرفته.

ما الذي يجعل الحواسيب الكمومية مختلفة جوهريًا

يرى كثيرون أن الحواسيب الكمومية هي الخطوة التالية في تطور الحواسيب. ويمكن لهذه الأجهزة توفير قدرة حسابية أكبر بآلاف المرات، ما يجعلها مناسبة للحسابات العلمية المعقدة وغيرها.

أثبتت الحواسيب الكمومية أنها أقوى بكثير من الحواسيب التقليدية، إذ تعتمد على الكيوبتات والتراكب والتشابك والتداخل لمعالجة المعلومات. وتسمح هذه البنية بتنفيذ ملايين العمليات الحسابية بالتوازي.

لماذا يُعد تصحيح الأخطاء الكمومية عنق الزجاجة الأساسي

لكن تخزين البيانات الكمومية أصعب بكثير من تخزين البتات التقليدية التي يمكن نسخها وحفظها، ثم مقارنة النسخ عند استرجاعها للتأكد من سلامة البيانات.

يُعد تصحيح الأخطاء الكمومية أكثر تعقيداً لعدة أسباب. فلا يمكن نسخ الكيوبتات كما تُنسخ البتات التقليدية، بل تعتمد على حالات متشابكة تُنشأ بينها، وهي حالات هشة يمكن أن تنهار بسهولة.

قلب البتات وتحولات الطور

وعلى الحواسيب الكمومية أيضاً التعامل مع فقدان الترابط وتحولات الطور. فقد ينتقل طور الكيوبت فجأة ومن دون إنذار من موجب إلى سالب، ما يصعّب تخزين البيانات الكمومية لفترات طويلة.

كيف يُصلح المهندسون هذه المشكلة

سعى المهندسون إلى تصحيح هذه التحولات بطرق عدة. ومن الأساليب الشائعة إنشاء كيوبت منطقي من عدة كيوبتات أخرى، ثم تطبيق تصحيح الأخطاء عليه باستمرار لضمان الدقة.

تتطلب العملية قياس حالة مثبتات مصممة خصيصاً بصورة مستمرة. وتسمح هذه المثبتات بمراقبة أي تغير في الكيوبت من دون تغيير قيمته، عبر توفير قراءات قابلة للتتبع للبت والطور.

تنشئ العملية كيوبتات بيانات تُستخدم لحفظ حالة التصحيح. وتظهر المشكلة لأن معظم الحواسيب الكمومية تعتمد على مصفوفات ثنائية الأبعاد من الكيوبتات فائقة التوصيل.

تبقى هذه الكيوبتات ثابتة في مكانها ولا يمكن نقلها من دون الإضرار بالحالة الكمومية. تساعد المثبتات على الحفاظ على الاستقرار، لكنها لا تعمل إلا على الكيوبتات المتجاورة، ما يقصرها على التطبيقات ثنائية الأبعاد ويحد من استخدامها.

دراسة جراحة الشبكة على البتات الكمومية

سعياً إلى تحسين قدرات الحوسبة الكمومية، نشر علماء من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ ومعهد بول شيرر في Nature Physics دراسة بعنوان “Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits¹”.

تقدم الورقة منهجية جديدة للتشابك الكمومي والمثبتات، وتتيح للحواسيب إجراء عمليات كمومية بين كيوبتات منطقية فائقة التوصيل مع تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي.

ما هي جراحة الشبكة في الحوسبة الكمومية؟

تقع جراحة الشبكة في صميم هذا التطور. فهي تصل الرموز الطوبولوجية عبر الكيوبتات المنطقية، وتدعم ترتيبات ثنائية الأبعاد إلى جانب عمليات بوابات متحملة للأخطاء.

باستخدام جراحة الشبكة، تمكن المهندسون من تطبيق بوابات منطقية بين كيوبتات مشفرة حتى عندما لم تكن متجاورة. وتتجنب هذه الاستراتيجية الاتصال المباشر، فتقلل أخطاء فقدان الترابط.

تعتمد جراحة الشبكة على رقع تتكون من كيوبتات مطبقة عليها مثبتات. وتصل العملية هذه البوابات مؤقتاً، ما يتيح فحوص التكافؤ ومساحة رمزية أكبر للمعالجة. ويمثل العمل أحد أول العروض التجريبية لجراحة الشبكة بين كيوبتات منطقية مشفرة باستخدام عتاد رمز سطحي فائق التوصيل، مع إبقاء تصحيح الأخطاء الفوري طوال العملية.

كيف تم إجراء تجربة جراحة الشبكة

أجرى المهندسون عدة اختبارات للتحقق من حساباتهم. فأنشأ الفريق أولاً جهازاً كمومياً ذا بوابة منطقية مكونة من 17 كيوبتاً فائق التوصيل مرتبة في شكل مربع تقريبي.

بعد تشابك كيوبتين ركز المهندسون على عمليات الفصل. فشفّروا الكيوبتات المنطقية بتكرارات قلب البت، ثم راقبوا نتائج المثبتات كل 1.66 ميكروثانية بالتزامن مع تصحيح أخطاء قلب البت والطور.

تقسم الطريقة مربع الرمز السطحي إلى نصفين، ما يسهل تتبعه واختباره. وأثبتت نتائج الاختبار صحة النظريات.

جراحة الشبكة على البتات الكمومية – نتائج الاختبار

لاحظ المهندسون أن أخطاء قلب البت صُححت فورياً. وسجلوا تحسناً مقارنة بالدوائر غير المشفرة التي خضعت للعملية نفسها، ونجحوا في إنشاء كيوبتين منطقيين متشابكين.

فوائد جراحة الشبكة على البتات الكمومية

تجلب هذه الدراسة فوائد عديدة للسوق، إذ تفتح الباب أمام حواسيب كمومية أقوى وأكثر دقة. وستتيح القدرة على ترميز تحمل الأخطاء والتصحيحات في هذه الأجهزة للأجيال المقبلة أداءً واستقراراً أفضل.

جراحة الشبكة على البتات الكمومية: التطبيقات الواقعية والجدول الزمني

لهذا العمل تطبيقات عدة. وسيساعد أساساً على توسيع قطاع الحواسيب الكمومية الناشئ وتحسينه، إذ يوفر مستوى جديداً من الاستقرار يسمح ببناء وحدات أقوى تعتمد على عدد أكبر من الكيوبتات.

الجدول الزمني لجراحة الشبكة على البتات الكمومية

وفقاً للمهندسين، لا يزال هناك عمل كثير قبل أن تصبح التقنية جاهزة للأجهزة الكمومية المتقدمة الحالية. ومع ذلك، يُتوقع تطبيقها في القطاع خلال الأعوام السبعة إلى العشرة المقبلة بالتزامن مع اتساع اعتماد الحوسبة الكمومية.

جراحة الشبكة على البتات الكمومية: الباحثون

شارك باحثون من عدة مؤسسات بارزة في الدراسة. وقاد أستاذ D-PHYS أندرياس والراف الورقة البحثية، بينما شارك في تأليفها البروفيسور ماركوس مولر من جامعة آخن التقنية ومركز يوليش للأبحاث.

وتدرج الورقة أيضاً إيليا بيسيدين، ومايكل كيرشباوم، وجوناثان نول، وإيان هيسنر، ولوكاس بوديكر، ولويس كولميناريز، ولوكا هوفيلي، وناثان لاكروا، وكريستوف هيلينغز، وفرانسوا سوياديك، وألكسندر فلاسباي، ومحسن بهرامي باناه، ودانتي كولاو زانوز ضمن المساهمين.

مستقبل جراحة الشبكة على البتات الكمومية

يبدو مستقبل التقنية واعداً. والهدف هو دمجها مع اختراقات حديثة أخرى لمساعدة المهندسين على بناء حواسيب كمومية مفيدة تعتمد على آلاف الكيوبتات بدلاً من عشرات منها.

الاستثمار في الابتكار الكمومي

تهيمن على قطاع الحوسبة الكمومية عدة شركات بحثية استثمرت ملايين الدولارات في التقنية. وتواصل هذه الجهات دراستها بروح ابتكارية تكشف أساليب كانت تُعد مستحيلة. وفيما يلي شركة أسهمت في دعم التطوير والاعتماد مستقبلاً.

Rigetti Computing

تأسست Rigetti Computing (RGTI ) عام 2013 على يد تشاد ريغيتي بهدف بناء أقوى الحواسيب الكمومية في العالم بتقنية الكيوبتات فائقة التوصيل. وعلى خلاف IonQ التي تستخدم الأيونات المحصورة، يتوافق تركيز Rigetti على الدوائر فائقة التوصيل بصورة أوثق مع بحث المعهد في جراحة الشبكة على الكيوبتات المنطقية فائقة التوصيل.

في عام 2018 عرضت Rigetti شريحة من 128 كيوبتاً، ومنذ ذلك الحين كانت رائدة في تطوير الحوسبة الكمومية «متكاملة المكونات». ويشمل ذلك منشأة Fab-1، أول مسبك مخصص للدوائر الكمومية في العالم، حيث تصمم الشركة معالجاتها الكمومية وتصنعها.

حققت Rigetti تقدماً مهماً في الحوسبة الهجينة الكمومية والتقليدية. وتدمج منصة Quantum Cloud Services (QCS) المعالجات الكمومية مع بنية تقليدية عالية الأداء، وهو أمر ضروري لتصحيح الأخطاء الفوري الوارد في البحث. وفي 2021 أُدرجت الشركة في NASDAQ بعد اندماجها مع Supernova Partners Acquisition Company II.

تطور Rigetti حالياً أنظمة فئة Ankaa التي تستخدم شبكة مربعة من القارنات القابلة للضبط. وقد صُممت هذه البنية لدعم عمليات تحمل الأخطاء وترميز الكيوبتات المنطقية من النوع الذي عرضته أحدث دراسة للمعهد.

أحدث أخبار وأداء Rigetti Computing (RGTI)

جراحة الشبكة على البتات الكمومية | الخلاصة

تَعِد الحواسيب الكمومية بقدرة حسابية لا مثيل لها، لكن هشاشتها جعلتها باهظة التكلفة على معظم المستخدمين. وسيساعد هذا العمل على تثبيت الأجهزة وتقريب العالم خطوة من خيار موثوق وميسور التكلفة. ولهذا يستحق المهندسون تقديراً كبيراً.

تعرف على إنجازات أخرى في الحواسب الكمومية هنا.

المراجع

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M., & Wallraff, A. (2026). تحقيق جراحة الشبكة على رمزين تكرار بمسافة ثلاثة باستخدام البتات الفائقة التوصيل. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}